Nanokomposit Tabung Kapiler 304 Berbasis Tungsten Oksida/Fullerene Sebagai Elektrokatalis dan Inhibitor Reaksi Parasit VO2+/VO2+ dalam Asam Campuran

Terima kasih telah mengunjungi Nature.com.Anda menggunakan versi browser dengan dukungan CSS terbatas.Untuk pengalaman terbaik, kami menyarankan Anda menggunakan browser yang diperbarui (atau menonaktifkan Mode Kompatibilitas di Internet Explorer).Selain itu, untuk memastikan dukungan berkelanjutan, kami menampilkan situs tanpa gaya dan JavaScript.
Menampilkan carousel tiga slide sekaligus.Gunakan tombol Sebelumnya dan Berikutnya untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus, atau gunakan tombol penggeser di akhir untuk berpindah melalui tiga slide sekaligus.

Komposisi Kimia Tabung Kumparan Stainless Steel 304

304 Stainless Steel Coil Tube adalah sejenis paduan kromium-nikel austenitik.Menurut Produsen Tabung Coil Stainless Steel 304, komponen utama didalamnya adalah Cr (17%-19%), dan Ni (8%-10.5%).Untuk meningkatkan ketahanannya terhadap korosi, terdapat sejumlah kecil Mn (2%) dan Si (0,75%).

Sifat Mekanik Tabung Kumparan Stainless Steel 304

Sifat mekanik tabung kumparan stainless steel 304 adalah sebagai berikut:

• Kekuatan tarik: ≥515MPa
• Kekuatan hasil: ≥205MPa
• Perpanjangan: ≥30%

Aplikasi & Kegunaan Tabung Coil Stainless Steel 304

Harga baterai aliran vanadium redoks (VRFB) yang relatif tinggi membatasi penggunaannya secara luas.Kinetika reaksi elektrokimia harus ditingkatkan untuk meningkatkan kepadatan daya dan efisiensi energi VRFB, sehingga mengurangi biaya kWh VRFB.Dalam karya ini, nanopartikel tungsten oksida terhidrasi (HWO) yang disintesis secara hidrotermal, C76 dan C76/HWO, diendapkan pada elektroda kain karbon dan diuji sebagai elektrokatalis untuk reaksi redoks VO2+/VO2+.Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM), spektroskopi sinar-X dispersif energi (EDX), mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM), difraksi sinar-X (XRD), spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), inframerah Fourier transformasi Spektroskopi (FTIR) dan pengukuran sudut kontak.Telah ditemukan bahwa penambahan fullerene C76 ke HWO dapat meningkatkan kinetika elektroda sehubungan dengan reaksi redoks VO2+/VO2+ dengan meningkatkan konduktivitas dan menyediakan gugus fungsi yang mengandung oksigen pada permukaannya.Komposit HWO/C76 (50% berat C76) terbukti paling cocok untuk reaksi VO2+/VO2+ dengan ΔEp 176 mV dibandingkan dengan 365 mV untuk kain karbon tanpa perlakuan (UCC).Selain itu, komposit HWO/C76 menunjukkan penghambatan yang signifikan terhadap reaksi evolusi klorin parasit karena gugus fungsi W-OH.
Aktivitas manusia yang intens dan pesatnya revolusi industri telah menyebabkan tingginya permintaan listrik, yang tumbuh sekitar 3% per tahun1.Selama beberapa dekade, meluasnya penggunaan bahan bakar fosil sebagai sumber energi telah menyebabkan emisi gas rumah kaca, yang menyebabkan pemanasan global, polusi air dan udara, serta mengancam seluruh ekosistem.Hasilnya, pada tahun 2050 pangsa energi bersih terbarukan dan energi surya diproyeksikan mencapai 75% dari total listrik1.Namun, ketika produksi energi terbarukan melebihi 20% dari total produksi listrik, jaringan listrik menjadi tidak stabil 1. Pengembangan sistem penyimpanan energi yang efisien sangat penting dalam transisi ini, karena sistem tersebut harus menyimpan kelebihan listrik dan menyeimbangkan pasokan dan permintaan.
Di antara semua sistem penyimpanan energi seperti baterai aliran vanadium redoks hibrida2, semua baterai aliran vanadium redoks (VRFB) adalah yang paling canggih karena banyak keunggulannya3 dan dianggap sebagai solusi terbaik untuk penyimpanan energi jangka panjang (~30 tahun).Penggunaan sumber energi terbarukan4.Hal ini disebabkan oleh pemisahan daya dan kepadatan energi, respons yang cepat, masa pakai yang lama, dan biaya tahunan yang relatif rendah sebesar $65/kWh dibandingkan dengan $93-140/kWh untuk baterai Li-ion dan timbal-asam serta 279-420 USD/kWh./kWh baterai masing-masing 4.
Namun, komersialisasinya yang meluas masih terhambat oleh biaya modal sistem yang relatif tinggi, terutama karena kemasan baterai4,5.Oleh karena itu, meningkatkan kinerja baterai dengan meningkatkan kinetika dua reaksi setengah sel dapat mengurangi ukuran baterai sehingga mengurangi biaya.Oleh karena itu, transfer elektron yang cepat ke permukaan elektroda diperlukan, tergantung pada desain, komposisi dan struktur elektroda, yang harus dioptimalkan secara hati-hati.Meskipun elektroda berbasis karbon memiliki stabilitas kimia dan elektrokimia yang baik serta konduktivitas listrik yang baik, jika tidak ditangani, kinetikanya akan lambat karena tidak adanya gugus fungsi oksigen dan hidrofilisitas7,8.Oleh karena itu, berbagai elektrokatalis dikombinasikan dengan elektroda karbon, terutama struktur nano karbon dan oksida logam, untuk meningkatkan kinetika kedua elektroda, sehingga meningkatkan kinetika elektroda VRFB.
Banyak bahan karbon yang telah digunakan, seperti kertas karbon9, tabung nano karbon10,11,12,13, struktur nano berbasis graphene14,15,16,17, serat nano karbon18 dan lain-lain19,20,21,22,23, kecuali keluarga fullerene .Dalam penelitian kami sebelumnya pada C76, kami melaporkan untuk pertama kalinya aktivitas elektrokatalitik yang sangat baik dari fullerene ini terhadap VO2+/VO2+, dibandingkan dengan kain karbon yang diberi perlakuan panas dan tidak diberi perlakuan, ketahanan perpindahan muatan berkurang sebesar 99,5% dan 97%24.Kinerja katalitik bahan karbon untuk reaksi VO2+/VO2+ dibandingkan dengan C76 ditunjukkan pada Tabel S1.Di sisi lain, banyak oksida logam seperti CeO225, ZrO226, MoO327, NiO28, SnO229, Cr2O330 dan WO331, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 digunakan karena peningkatan keterbasahan dan kandungan oksigen yang tinggi.kelompok.Tabel S2 menunjukkan kinerja katalitik oksida logam ini dalam reaksi VO2+/VO2+.WO3 telah digunakan dalam sejumlah besar pekerjaan karena biayanya yang rendah, stabilitas yang tinggi dalam media asam, dan aktivitas katalitik yang tinggi31,32,33,34,35,36,37,38.Namun, WO3 menunjukkan sedikit perbaikan dalam kinetika katoda.Untuk meningkatkan konduktivitas WO3, efek penggunaan tungsten oksida tereduksi (W18O49) pada aktivitas elektroda positif diuji38.Tungsten oksida terhidrasi (HWO) belum pernah diuji dalam aplikasi VRFB, meskipun telah menunjukkan aktivitas yang lebih tinggi dalam aplikasi superkapasitor karena difusi kation yang lebih cepat dibandingkan dengan WOx39,40 anhidrat.Baterai aliran redoks semua vanadium generasi ketiga menggunakan elektrolit asam campuran yang terdiri dari HCl dan H2SO4 untuk meningkatkan kinerja baterai dan meningkatkan kelarutan dan stabilitas ion vanadium dalam elektrolit.Namun, reaksi evolusi klorin parasit telah menjadi salah satu kelemahan generasi ketiga, sehingga menemukan cara untuk menekan reaksi evaluasi klorin telah menjadi tugas beberapa kelompok penelitian.
Di sini, uji reaksi VO2+/VO2+ dilakukan pada komposit HWO/C76 yang diendapkan pada elektroda kain karbon untuk menemukan keseimbangan antara konduktivitas listrik komposit dan kinetika reaksi redoks pada permukaan elektroda sekaligus menekan pengendapan parasit klorin.reaksi (KVR).Nanopartikel tungsten oksida terhidrasi (HWO) disintesis dengan metode hidrotermal sederhana.Percobaan dilakukan dalam elektrolit asam campuran (H2SO4/HCl) untuk mensimulasikan VRFB (G3) generasi ketiga untuk kenyamanan dan untuk menyelidiki pengaruh HWO pada reaksi evolusi klorin parasit42.
Vanadium(IV) sulfat oksida hidrat (VOSO4, 99,9%, Alfa-Aeser), asam sulfat (H2SO4), asam klorida (HCl), dimetilformamida (DMF, Sigma-Aldrich), polivinilidena fluorida (PVDF, Sigma-Aldrich), natrium Tungsten oksida dihidrat (Na2WO4, 99%, Sigma-Aldrich) dan kain karbon hidrofilik ELAT (Fuel Cell Store) digunakan dalam penelitian ini.
Tungsten oksida terhidrasi (HWO) dibuat melalui reaksi hidrotermal di mana 2 g garam Na2WO4 dilarutkan dalam 12 ml H2O hingga diperoleh larutan tidak berwarna, kemudian 12 ml HCl 2 M ditambahkan tetes demi tetes hingga suspensi berwarna kuning muda. diperoleh.penangguhan.Reaksi hidrotermal dilakukan dalam autoklaf baja tahan karat berlapis teflon dalam oven bersuhu 180 ºC selama 3 jam.Residu dikumpulkan dengan penyaringan, dicuci 3 kali dengan etanol dan air, dikeringkan dalam oven pada suhu 70°C selama ~3 jam, dan kemudian digiling untuk mendapatkan bubuk HWO berwarna biru abu-abu.
Elektroda kain karbon (CCT) yang diperoleh (tidak diolah) digunakan dalam bentuk yang diperoleh atau dikenai perlakuan panas dalam tungku tabung pada 450°C selama 10 jam dengan laju pemanasan 15°C/menit di udara hingga mendapatkan perlakuan UCC (TCC), s Sama seperti pekerjaan sebelumnya 24. UCC dan TCC dipotong menjadi elektroda dengan lebar kurang lebih 1,5 cm dan panjang 7 cm.Suspensi C76, HWO, HWO-10% C76, HWO-30% C76 dan HWO-50% C76 dibuat dengan menambahkan 20 mg bubuk bahan aktif dan 10% berat (~2,22 mg) pengikat PVDF ke dalam ~1 ml DMF disiapkan dan disonikasi selama 1 jam untuk meningkatkan keseragaman.Kemudian 2 mg komposit C76, HWO dan HWO-C76 diaplikasikan pada sekitar 1,5 cm2 area elektroda aktif UCC.Semua katalis dimasukkan ke elektroda UCC dan TCC digunakan untuk tujuan perbandingan saja, karena penelitian kami sebelumnya menunjukkan bahwa perlakuan panas tidak diperlukan 24 .Pengendapan cetakan dicapai dengan menyikat 100 μl suspensi (beban 2 mg) untuk keseragaman yang lebih baik.Kemudian semua elektroda dikeringkan dalam oven semalaman pada suhu 60°C.Elektroda diukur sebelum dan sesudah untuk memastikan pemuatan stok yang akurat.Untuk mendapatkan luas geometri tertentu (~1,5 cm2) dan mencegah naiknya elektrolit vanadium ke elektroda akibat efek kapiler, lapisan tipis parafin diaplikasikan di atas bahan aktif.
Mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FESEM, Zeiss SEM Ultra 60,5 kV) digunakan untuk mengamati morfologi permukaan HWO.Spektroskopi sinar-X dispersif energi yang dilengkapi dengan Feii8SEM (EDX, Zeiss AG) digunakan untuk memetakan elemen HWO-50%C76 pada elektroda UCC.Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM, JOEL JEM-2100) yang beroperasi pada tegangan percepatan 200 kV digunakan untuk memperoleh gambar resolusi tinggi dan cincin difraksi partikel HWO.Gunakan perangkat lunak Crystallographic Tool Box (CrysTBox) untuk menganalisis cincin difraksi HWO menggunakan fungsi ringGUI dan membandingkan hasilnya dengan model XRD.Struktur dan grafitisasi UCC dan TCC ditentukan dengan difraksi sinar-X (XRD) pada kecepatan pemindaian 2,4°/menit dari 5° hingga 70° dengan Cu Kα (λ = 1,54060 Å) menggunakan difraktometer sinar-X Panalytical.(Model 3600).XRD menunjukkan struktur kristal dan fase HWO.Perangkat lunak PANalytical X'Pert HighScore digunakan untuk mencocokkan puncak HWO dengan peta tungsten oksida yang tersedia di database45.Bandingkan hasil HWO dengan hasil TEM.Komposisi kimia dan keadaan sampel HWO ditentukan dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, ESCALAB 250Xi, ThermoScientific).Perangkat lunak CASA-XPS (v 2.3.15) digunakan untuk dekonvolusi puncak dan analisis data.Pengukuran spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR, menggunakan spektrometer FTIR KBr kelas Perkin Elmer) dilakukan untuk menentukan gugus fungsi permukaan HWO dan HWO-50%C76.Bandingkan hasilnya dengan hasil XPS.Pengukuran sudut kontak (KRUSS DSA25) juga digunakan untuk mengkarakterisasi keterbasahan elektroda.
Untuk semua pengukuran elektrokimia, stasiun kerja Biologis SP 300 digunakan.Voltametri siklik (CV) dan spektroskopi impedansi elektrokimia (EIS) digunakan untuk mempelajari kinetika elektroda reaksi redoks VO2+/VO2+ dan pengaruh difusi reagen (VOSO4 (VO2+)) terhadap laju reaksi.Kedua teknologi tersebut menggunakan sel tiga elektroda dengan konsentrasi elektrolit 0,1 M VOSO4 (V4+) yang dilarutkan dalam 1 M H2SO4 + 1 M HCl (campuran asam).Semua data elektrokimia yang disajikan adalah koreksi IR.Elektroda kalomel jenuh (SCE) dan kumparan platinum (Pt) masing-masing digunakan sebagai elektroda referensi dan elektroda lawan.Untuk CV, kecepatan pemindaian (ν) sebesar 5, 20, dan 50 mV/s diterapkan pada jendela potensial (0–1) V dibandingkan dengan SCE untuk VO2+/VO2+, kemudian dikoreksi pada skala SHE untuk diplot (VSCE = 0,242 V relatif terhadap HSE) .Untuk menyelidiki retensi aktivitas elektroda, daur ulang CV dilakukan pada UCC, TCC, UCC-C76, UCC-HWO dan UCC-HWO-50% C76 pada ν sama dengan 5 mV/s.Untuk pengukuran EIS reaksi redoks VO2+/VO2+ digunakan rentang frekuensi 0,01-105 Hz dan gangguan tegangan rangkaian terbuka (OCV) 10 mV.Setiap percobaan diulang 2-3 kali untuk memastikan konsistensi hasil.Konstanta laju heterogen (k0) diperoleh dengan metode Nicholson46,47.
Tungsten oksida terhidrasi (HVO) telah berhasil disintesis dengan metode hidrotermal.Gambar SEM pada gambar.Gambar 1a menunjukkan bahwa HWO yang diendapkan terdiri dari kelompok nanopartikel dengan ukuran partikel pada kisaran 25–50 nm.
Pola difraksi sinar-X HWO menunjukkan puncak (001) dan (002) masing-masing pada ~23,5° dan ~47,5°, yang merupakan karakteristik WO2.63 (W32O84) nonstoikiometri (PDF 077–0810, a = 21.4 Å, b = 17,8 Å, c = 3,8 Å, α = β = γ = 90°), yang sesuai dengan warna birunya (Gbr. 1b)48,49.Puncak lainnya pada sekitar 20,5°, 27,1°, 28,1°, 30,8°, 35,7°, 36,7° dan 52,7° berada pada (140), (620), (350 ), (720), (740), (560).dan (970) bidang difraksi masing-masing 49 ortorombik WO2.63.Songara dkk.43 menggunakan metode sintetik yang sama untuk memperoleh produk berwarna putih, yang disebabkan oleh adanya WO3(H2O)0,333.Namun, dalam penelitian ini, karena kondisi yang berbeda, diperoleh hasil kali biru-abu-abu, yang menunjukkan koeksistensi WO3(H2O)0,333 (PDF 087-1203, a = 7.3 Å, b = 12.5 Å, c = 7.7 ) dalam Å , α = β = γ = 90°) dan bentuk tereduksi dari oksida tungsten.Analisis semikuantitatif dengan software X'Pert HighScore menunjukkan 26% WO3(H2O)0,333: 74% W32O84.Karena W32O84 terdiri dari W6+ dan W4+ (1,67:1 W6+:W4+), perkiraan kandungan W6+ dan W4+ masing-masing adalah sekitar 72% W6+ dan 28% W4+.Gambar SEM, spektrum XPS 1 detik pada tingkat inti, gambar TEM, spektrum FTIR, dan spektrum Raman partikel C76 disajikan dalam makalah kami sebelumnya24.Menurut Kawada et al.50,51, pola difraksi sinar-X C76 menunjukkan struktur monoklinik FCC setelah penghilangan toluena.
Gambar SEM pada gambar.Gambar 2a dan b menunjukkan keberhasilan pengendapan HWO dan HWO-50%C76 pada dan di antara serat karbon elektroda UCC.Pemetaan unsur tungsten, karbon dan oksigen pada gambar SEM pada Gambar 2c ditunjukkan pada gambar.Gambar 2d–f menunjukkan bahwa tungsten dan karbon tercampur secara merata (menunjukkan distribusi serupa) pada permukaan elektroda dan komposit tidak diendapkan secara merata.karena sifat dari metode presipitasi.
Gambar SEM dari partikel HWO yang diendapkan (a) dan partikel HWO-C76 (b).Pemetaan EDX yang diunggah ke HWO-C76 di UCC menggunakan area pada gambar (c) menunjukkan sebaran tungsten (d), karbon (e), dan oksigen (f) dalam sampel.
HR-TEM digunakan untuk pencitraan pembesaran tinggi dan informasi kristalografi (Gambar 3).HWO menunjukkan morfologi nanocube seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a dan lebih jelas pada Gambar 3b.Dengan memperbesar nanocube untuk difraksi area yang dipilih, struktur kisi dan bidang difraksi yang memenuhi hukum Bragg dapat divisualisasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c, yang mengkonfirmasikan kristalinitas material.Pada inset pada Gambar 3c menunjukkan jarak d 3,3 Å yang sesuai dengan bidang difraksi (022) dan (620) dalam fase WO3(H2O)0,333 dan W32O84, 43, 44, 49, masing-masing.Hal ini konsisten dengan analisis XRD di atas (Gambar 1b) karena jarak bidang kisi yang diamati d (Gambar 3c) berhubungan dengan puncak XRD terkuat dalam sampel HWO.Cincin sampel juga ditunjukkan pada gambar.3d, di mana setiap cincin berhubungan dengan bidang terpisah.Bidang WO3(H2O)0,333 dan W32O84 masing-masing berwarna putih dan biru, dan puncak XRD yang sesuai juga ditunjukkan pada Gambar 1b.Cincin pertama yang ditunjukkan pada pola cincin berhubungan dengan puncak pertama yang ditandai pada pola sinar-X bidang difraksi (022) atau (620).Dari cincin (022) hingga (402), ditemukan jarak d sebesar 3,30, 3,17, 2,38, 1,93, dan 1,69 Å, yang konsisten dengan nilai XRD sebesar 3,30, 3,17, 2,45, 1,93, dan 1,66.Å, 44, 45, masing-masing.
(a) Gambar HR-TEM HWO, (b) menunjukkan gambar yang diperbesar.Gambar bidang kisi ditunjukkan pada (c), dan sisipan (c) menunjukkan gambar bidang yang diperbesar dan interval d 0,33 nm yang sesuai dengan bidang (002) dan (620).(d) Pola cincin HWO menunjukkan bidang yang berhubungan dengan fase WO3(H2O)0,333 (putih) dan W32O84 (biru).
Analisis XPS dilakukan untuk menentukan kimia permukaan dan bilangan oksidasi tungsten (Gambar S1 dan 4).Spektrum pemindaian XPS jangkauan luas dari HWO yang disintesis ditunjukkan pada Gambar.S1, menunjukkan adanya tungsten.Spektrum pemindaian sempit XPS dari level W 4f dan O 1s utama ditunjukkan pada Gambar.4a dan b, masing-masing.Spektrum W 4f dibagi menjadi dua doublet spin-orbit sesuai dengan energi pengikat bilangan oksidasi W. Puncak W 4f5/2 dan W 4f7/2 pada energi pengikat 37,8 dan 35,6 eV termasuk dalam W6+, dan puncak W 4f5/2 dan W 4f7/2 pada 36,6 dan 34,9 eV masing-masing merupakan karakteristik keadaan W4+.Adanya bilangan oksidasi (W4+) semakin menegaskan terbentuknya WO2.63 non-stoikiometri, sedangkan adanya W6+ menunjukkan stoikiometri WO3 akibat WO3(H2O)0.333.Data yang dipasang menunjukkan bahwa persentase atom W6+ dan W4+ masing-masing adalah 85% dan 15%, yang relatif dekat dengan nilai yang diperkirakan dari data XRD, mengingat perbedaan antara kedua teknologi tersebut.Kedua metode tersebut memberikan informasi kuantitatif dengan akurasi rendah, terutama XRD.Selain itu, kedua metode tersebut menganalisis bagian material yang berbeda karena XRD adalah metode massal sedangkan XPS adalah metode permukaan yang hanya mendekati beberapa nanometer.Spektrum O 1s terbagi menjadi dua puncak pada 533 (22,2%) dan 530,4 eV (77,8%).Yang pertama berhubungan dengan OH, dan yang kedua berhubungan dengan ikatan oksigen dalam kisi di WO.Kehadiran gugus fungsi OH konsisten dengan sifat hidrasi HWO.
Analisis FTIR juga dilakukan pada kedua sampel ini untuk menguji keberadaan gugus fungsi dan molekul air terkoordinasi dalam struktur HWO terhidrasi.Hasilnya menunjukkan bahwa hasil sampel HWO-50% C76 dan FT-IR HWO terlihat sama karena adanya HWO, namun intensitas puncaknya berbeda karena perbedaan jumlah sampel yang digunakan selama persiapan analisis (Gbr. 5a ).HWO-50% C76 Semua puncak fullerene 24 ditampilkan kecuali puncak tungsten oksida.Rinci pada gambar.Gambar 5a menunjukkan bahwa kedua sampel menunjukkan pita lebar yang sangat kuat pada ~710/cm, yang disebabkan oleh getaran regangan OWO dalam struktur kisi HWO, dan bahu yang kuat pada ~840/cm, yang dikaitkan dengan WO.pita tajam pada ~1610/cm berhubungan dengan getaran lentur OH, dan pita serapan lebar pada ~3400/cm berhubungan dengan getaran regangan OH pada gugus hidroksil43.Hasil ini konsisten dengan spektrum XPS pada Gambar 4b, di mana gugus fungsi WO dapat menyediakan situs aktif untuk reaksi VO2+/VO2+.
Analisis FTIR HWO dan HWO-50% C76 (a) menunjukkan gugus fungsi dan pengukuran sudut kontak (b,c).
Gugus OH juga dapat mengkatalisis reaksi VO2+/VO2+, sehingga meningkatkan hidrofilisitas elektroda, sehingga meningkatkan laju difusi dan transfer elektron.Sampel HWO-50% C76 menunjukkan puncak C76 tambahan seperti yang ditunjukkan pada gambar.Puncak pada ~2905, 2375, 1705, 1607, dan 1445 cm3 masing-masing dapat ditetapkan pada vibrasi ulur CH, O=C=O, C=O, C=C, dan CO.Telah diketahui bahwa gugus fungsi oksigen C=O dan CO dapat berfungsi sebagai pusat aktif reaksi redoks vanadium.Untuk menguji dan membandingkan keterbasahan kedua elektroda, digunakan pengukuran sudut kontak seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, c.Elektroda HWO segera menyerap tetesan air, menunjukkan superhidrofilisitas karena tersedianya gugus fungsi OH.HWO-50% C76 lebih hidrofobik, dengan sudut kontak sekitar 135° setelah 10 detik.Namun, dalam pengukuran elektrokimia, elektroda HWO-50%C76 dibasahi seluruhnya dalam waktu kurang dari satu menit.Pengukuran keterbasahan konsisten dengan hasil XPS dan FTIR, menunjukkan bahwa lebih banyak gugus OH pada permukaan HWO membuatnya relatif lebih hidrofilik.
Reaksi VO2+/VO2+ dari nanokomposit HWO dan HWO-C76 telah diuji dan diharapkan bahwa HWO akan menekan evolusi gas klor yang terjadi selama reaksi VO2+/VO2+ dalam asam campuran, sedangkan C76 selanjutnya akan mengkatalisis VO2+/VO2+ yang diinginkan.Suspensi HWO yang mengandung 10%, 30% dan 50% C76 diaplikasikan pada elektroda UCC dengan beban total sekitar 2 mg/cm2.
Seperti yang ditunjukkan pada gambar.6, kinetika reaksi VO2+/VO2+ pada permukaan elektroda diperiksa menggunakan CV dalam campuran elektrolit asam.Arus ditampilkan sebagai I/Ipa untuk memudahkan perbandingan ΔEp dan Ipa/Ipc.Berbagai katalis diperoleh langsung dari gambar.Data satuan luas saat ini ditunjukkan pada Gambar 2S.Pada gambar.Gambar 6a menunjukkan bahwa HWO sedikit meningkatkan laju transfer elektron reaksi redoks VO2+/VO2+ pada permukaan elektroda dan menekan reaksi evolusi klorin parasit.Namun, C76 secara signifikan meningkatkan laju transfer elektron dan mengkatalisis reaksi evolusi klorin.Oleh karena itu, kompleks dengan komposisi HWO dan C76 yang tepat seharusnya mempunyai aktivitas terbaik dan kemampuan tertinggi dalam menghambat reaksi klorin.Ditemukan bahwa setelah peningkatan kandungan C76, aktivitas elektrokimia elektroda meningkat, terbukti dengan penurunan ΔEp dan peningkatan rasio Ipa/Ipc (Tabel S3).Hal ini juga dikonfirmasi oleh nilai RCT yang diekstraksi dari plot Nyquist pada Gambar 6d (tabel S3), dimana ditemukan bahwa nilai RCT menurun dengan meningkatnya kandungan C76.Hasil ini juga konsisten dengan penelitian Lee yang menyatakan bahwa penambahan karbon mesopori pada WO3 mesopori meningkatkan kinetika perpindahan muatan pada VO2+/VO2+35.Hal ini menunjukkan bahwa reaksi positif mungkin lebih bergantung pada konduktivitas elektroda (ikatan C=C)18,24,35,36,37.Karena perubahan geometri koordinasi antara [VO(H2O)5]2+ dan [VO2(H2O)4]+, C76 juga dapat mengurangi respons tegangan berlebih dengan mengurangi energi jaringan.Namun, hal ini tidak dapat dilakukan dengan elektroda HWO.
(a) Perilaku voltametri siklik komposit UCC dan HWO-C76 dengan perbandingan HWO:C76 yang berbeda pada reaksi VO2+/VO2+ dalam elektrolit 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl (pada ν = 5 mV/s).(b) Metode Randles-Sevchik dan (c) Metode VO2+/VO2+ Nicholson untuk memperkirakan efisiensi difusi dan memperoleh nilai k0 (d).
HWO-50% C76 tidak hanya menunjukkan aktivitas elektrokatalitik yang hampir sama dengan C76 untuk reaksi VO2+/VO2+, namun, yang lebih menarik, ia juga menekan evolusi gas klor dibandingkan dengan C76, seperti yang ditunjukkan pada gambar.6a, selain menunjukkan setengah lingkaran yang lebih kecil pada gambar.6g (RCT lebih rendah).C76 menunjukkan Ipa/Ipc yang lebih tinggi dibandingkan HWO-50% C76 (Tabel S3), bukan karena peningkatan reversibilitas reaksi, namun karena tumpang tindih dengan puncak reduksi klorin pada 1,2 V dibandingkan dengan SHE.Kinerja terbaik HWO-50% C76 disebabkan oleh sinergi antara C76 bermuatan negatif yang sangat konduktif dan keterbasahan tinggi serta fungsi katalitik W-OH pada HWO.Meskipun emisi klorin yang lebih sedikit akan meningkatkan efisiensi pengisian sel penuh, peningkatan kinetika akan meningkatkan efisiensi tegangan sel penuh.
Menurut persamaan S1, untuk reaksi kuasi-reversibel (transfer elektron yang relatif lambat) yang dikendalikan oleh difusi, arus puncak (IP) bergantung pada jumlah elektron (n), luas elektroda (A), koefisien difusi (D), jumlah koefisien transfer elektron (α) dan kecepatan pemindaian (ν).Untuk mempelajari perilaku terkontrol difusi dari bahan yang diuji, hubungan antara IP dan ν1/2 diplot dan ditunjukkan pada Gambar 6b.Karena semua bahan menunjukkan hubungan linier, reaksi dikendalikan oleh difusi.Karena reaksi VO2+/VO2+ bersifat kuasi-reversibel, kemiringan garis bergantung pada koefisien difusi dan nilai α (persamaan S1).Karena koefisien difusi yang konstan (≈ 4 × 10–6 cm2/s)52, perbedaan kemiringan garis secara langsung menunjukkan nilai α yang berbeda dan karenanya perbedaan laju transfer elektron ke permukaan elektroda, dengan C76 dan HWO -50 % C76, menunjukkan kemiringan paling curam (kecepatan transfer elektron tertinggi).
Kemiringan Warburg frekuensi rendah yang dihitung (W) yang ditunjukkan pada Tabel S3 (Gbr. 6d) memiliki nilai mendekati 1 untuk semua bahan, menunjukkan difusi sempurna partikel redoks dan mengkonfirmasi perilaku linier IP versus 1/2 untuk CV.pengukuran.Untuk HWO-50% C76, kemiringan Warburg menyimpang dari satu menjadi 1,32, menunjukkan kontribusi tidak hanya dari difusi reaktan semi-tak terbatas (VO2+), tetapi juga kemungkinan perilaku lapisan tipis dalam perilaku difusi karena porositas elektroda.
Untuk menganalisis lebih lanjut reversibilitas (laju transfer elektron) reaksi redoks VO2+/VO2+, digunakan juga metode reaksi kuasi-reversibel Nicholson untuk menentukan konstanta laju standar k041.42.Hal ini dilakukan dengan memplot parameter kinetik tak berdimensi Ψ sebagai fungsi dari ΔEp sebagai fungsi dari ν−1/2 menggunakan persamaan S2.Tabel S4 menunjukkan nilai Ψ yang dihasilkan untuk setiap bahan elektroda.Plot hasilnya (Gambar 6c) sehingga diperoleh k0 × 104 cm/s (ditulis di samping setiap baris dan disajikan pada Tabel S4) menggunakan persamaan S3 untuk kemiringan setiap plot.HWO-50% C76 ditemukan memiliki kemiringan tertinggi (Gambar 6c) dan karenanya memiliki nilai k0 tertinggi yaitu 2,47 × 10–4 cm/s.Artinya elektroda ini memberikan kinetika tercepat sesuai dengan hasil CV dan EIS pada Gambar 6a dan d serta Tabel S3.Selain itu, nilai k0 juga diperoleh dari plot Nyquist (Gambar 6d) Persamaan S4 menggunakan nilai RCT (Tabel S3).Hasil k0 dari EIS ini dirangkum dalam Tabel S4 dan juga menunjukkan bahwa HWO-50% C76 menunjukkan laju transfer elektron tertinggi karena efek sinergis.Walaupun nilai k0 berbeda-beda karena asal masing-masing metode berbeda, namun tetap menunjukkan orde besaran yang sama dan menunjukkan konsistensi.
Untuk memahami sepenuhnya kinetika luar biasa yang dapat dicapai, penting untuk membandingkan bahan elektroda optimal dengan elektroda UCC dan TCC yang tidak berinsulasi.Untuk reaksi VO2+/VO2+, HWO-C76 tidak hanya menunjukkan ΔEp terendah dan reversibilitas yang lebih baik, namun juga secara signifikan menekan reaksi evolusi klorin parasit dibandingkan dengan TCC, seperti yang ditunjukkan oleh penurunan arus yang signifikan pada 1,45 V dibandingkan dengan OHA (Gbr. 2). 7a).Dalam hal stabilitas, kami berasumsi bahwa HWO-50% C76 stabil secara fisik karena katalis dicampur dengan pengikat PVDF dan kemudian diaplikasikan pada elektroda kain karbon.Dibandingkan dengan 50 mV untuk UCC, HWO-50% C76 menunjukkan pergeseran puncak 44 mV setelah 150 siklus (laju degradasi 0,29 mV/siklus) (Gambar 7b).Perbedaannya mungkin tidak terlalu besar, namun kinetika elektroda UCC sangat lambat dan menurun seiring dengan siklus, terutama untuk reaksi balik.Meskipun reversibilitas TCC jauh lebih baik daripada UCC, TCC ditemukan memiliki pergeseran puncak yang besar sebesar 73 mV setelah 150 siklus, yang mungkin disebabkan oleh banyaknya klorin yang dilepaskan dari permukaannya.Untuk memastikan bahwa katalis melekat dengan baik pada permukaan elektroda.Seperti dapat dilihat pada semua elektroda yang diuji, bahkan elektroda tanpa katalis pendukung menunjukkan tingkat ketidakstabilan siklus yang bervariasi, menunjukkan bahwa perubahan pemisahan puncak selama siklus disebabkan oleh penonaktifan material karena perubahan kimia daripada pemisahan katalis.Selain itu, jika sejumlah besar partikel katalis dipisahkan dari permukaan elektroda, hal ini akan menyebabkan peningkatan pemisahan puncak yang signifikan (tidak hanya sebesar 44 mV), karena substrat (UCC) relatif tidak aktif untuk VO2+/VO2+ reaksi redoks.
Perbandingan CV (a) dan kestabilan reaksi redoks VO2+/VO2+ (b) bahan elektroda optimal terhadap CCC.Dalam elektrolit 0,1 M VOSO4/1 M H2SO4 + 1 M HCl, semua CV sama dengan ν = 5 mV/s.
Untuk meningkatkan daya tarik ekonomi teknologi VRFB, meningkatkan dan memahami kinetika reaksi redoks vanadium sangat penting untuk mencapai efisiensi energi yang tinggi.Komposit HWO-C76 disiapkan dan efek elektrokatalitiknya terhadap reaksi VO2+/VO2+ dipelajari.HWO menunjukkan sedikit peningkatan kinetik tetapi secara signifikan menekan evolusi klorin dalam campuran elektrolit asam.Berbagai rasio HWO:C76 digunakan untuk lebih mengoptimalkan kinetika elektroda berbasis HWO.Peningkatan kandungan C76 menjadi HWO dapat meningkatkan kinetika transfer elektron reaksi VO2+/VO2+ pada elektroda yang dimodifikasi, diantaranya HWO-50% C76 merupakan material terbaik karena menurunkan ketahanan transfer muatan dan lebih menekan evolusi gas klor dibandingkan dengan Bab 76.dan TCC dilepaskan.Hal ini disebabkan adanya efek sinergis antara hibridisasi C=C sp2, gugus fungsi OH dan W-OH.Tingkat degradasi HWO-50% C76 ditemukan sebesar 0,29mV/siklus dalam beberapa siklus sedangkan UCC dan TCC masing-masing sebesar 0,33mV/siklus dan 0,49mV/siklus, membuatnya sangat stabil dalam elektrolit asam campuran.Hasil yang disajikan berhasil mengidentifikasi material elektroda berkinerja tinggi untuk reaksi VO2+/VO2+ dengan kinetika cepat dan stabilitas tinggi.Hal ini akan meningkatkan tegangan keluaran, sehingga meningkatkan efisiensi daya VRFB, sehingga mengurangi biaya komersialisasi di masa depan.
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis dalam penelitian ini tersedia dari masing-masing penulis berdasarkan permintaan yang masuk akal.
Luderer G. dkk.Memperkirakan Tenaga Angin dan Surya dalam Skenario Energi Rendah Karbon Global: Sebuah Pengantar.Ekonomi Energi.64, 542–551.https://doi.org/10.1016/j.eneco.2017.03.027 (2017).
Lee, HJ, Park, S. dan Kim, H. Analisis pengaruh pengendapan MnO2 terhadap kinerja baterai aliran redoks mangan vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.165(5), A952-A956.https://doi.org/10.1149/2.0881805jes (2018).
Shah, AA, Tangirala, R., Singh, R., Wills, RGA dan Walsh, FK Model sel satuan dinamis untuk baterai aliran redoks semua vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.158(6), A671.https://doi.org/10.1149/1.3561426 (2011).
Gandomi, YA, Aaron, DS, Zawodzinski, TA, dan Mench, MM Model pengukuran dan verifikasi distribusi potensial in-situ untuk baterai aliran redoks semua vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.163(1), A5188-A5201.https://doi.org/10.1149/2.0211601jes (2016).
Tsushima, S. dan Suzuki, T. Pemodelan dan simulasi baterai vanadium redoks dengan medan fluks interdigitasi untuk mengoptimalkan struktur elektroda.J. Elektrokimia.masyarakat.167(2), 020553.https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab6dd0 (2020).
Sun, B. dan Skillas-Kazakos, M. Modifikasi Bahan Elektroda Grafit untuk Aplikasi pada Baterai Vanadium Redoks – I. Perlakuan Panas.elektrokimia.Undang-undang 37(7), 1253–1260.https://doi.org/10.1016/0013-4686(92)85064-R (1992).
Liu, T., Li, S., Zhang, H., dan Chen, J. Kemajuan dalam bahan elektroda untuk meningkatkan kepadatan daya pada baterai aliran vanadium (VFB).J. Kimia Energi.27(5), 1292–1303.https://doi.org/10.1016/j.jechem.2018.07.003 (2018).
Liu, QH dkk.Sel aliran redoks vanadium efisiensi tinggi dengan konfigurasi elektroda dan pemilihan membran yang dioptimalkan.J. Elektrokimia.masyarakat.159(8), A1246-A1252.https://doi.org/10.1149/2.051208jes (2012).
Wei, G., Jia, K., Liu, J., dan Yang, K. Elektroda katalis karbon nanotube komposit dengan karbon terasa mendukung aplikasi baterai vanadium redoks.J. Catu daya.220, 185-192.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.081 (2012).
Moon, S., Kwon, BV, Chang, Y., dan Kwon, Y. Pengaruh bismut sulfat yang diendapkan pada CNT yang diasamkan terhadap kinerja baterai aliran vanadium redoks.J. Elektrokimia.masyarakat.166(12), A2602.https://doi.org/10.1149/2.1181912jes (2019).
Huang, R.-H.Tunggu.Elektroda aktif dimodifikasi dengan tabung nano karbon platinum/berdinding banyak untuk baterai aliran redoks vanadium.J. Elektrokimia.masyarakat.159(10), A1579.https://doi.org/10.1149/2.003210jes (2012).
Tapi, S. dkk.Baterai aliran redoks vanadium menggunakan elektrokatalis yang dihiasi dengan tabung nano karbon yang didoping nitrogen yang berasal dari perancah organologam.J. Elektrokimia.masyarakat.165(7), A1388.https://doi.org/10.1149/2.0621807jes (2018).
Khan, P. dkk.Lembaran nano grafena oksida sebagai bahan aktif elektrokimia yang sangat baik untuk pasangan redoks VO2+/ dan V2+/V3+ untuk baterai aliran redoks vanadium.Karbon 49(2), 693–700.https://doi.org/10.1016/j.carbon.2010.10.022 (2011).
Gonzalez, Z.dkk.Performa elektrokimia luar biasa dari grafit termodifikasi graphene untuk baterai vanadium redoks.J. Catu daya.338, 155-162.https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.10.069 (2017).
González Z., Vizirianu S., Dinescu G., Blanco S. dan Santamaria R. Film nanowall karbon sebagai bahan elektroda berstrukturnano dalam baterai aliran vanadium redoks.Energi Nano 1(6), 833–839.https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2012.07.003 (2012).
Opar DO, Nankya R., Lee J., dan Yung H. Karbon mesopori termodifikasi graphene tiga dimensi terasa untuk baterai aliran vanadium redoks berkinerja tinggi.elektrokimia.UU 330, 135276. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135276 (2020).